钻孔灌注桩施工技术研究

2023-09-26杨笑炎

运输经理世界 2023年8期

杨笑炎

（中铁十二局集团第七工程有限公司，湖南长沙 410004）

1 工程概况

西江特大桥位于南沙港铁路上，桥梁中心里程为DK23+125.155，桥梁全长为8980.22m。桥梁桩基础采用钻孔灌注桩，桩径为1m、1.25m、1.5m、2m、2.2m、2.5m，桩基础长度为20～70m，全桥桩基础共5587 根。地质情况主要由淤泥质土、淤泥质粉砂、粉质黏土、粉砂、中砂、全风化花岗岩、弱风化花岗岩组成。场地地表以下20m 深度范围内存在饱和淤泥质粉砂、粉砂、中砂，区域内饱和砂土可能发生液化现象。

2 钻孔灌注桩施工技术

2.1 施工工序

测量放样—护筒埋设—钻进设备就位—制备泥浆—钻进—第一次清孔—测量孔深和沉渣厚度—钢筋笼下放—下导管—第二次清孔—测量沉渣厚度—放置隔离水球—水下灌注混凝土。

2.2 施工技术

2.2.1 测量放样

采用坐标或极坐标方法，将钻孔灌注桩的中点放样误差控制在5mm 以内。将“十”字形交叉控制桩放置在离桩心2m 左右的安全区域内，并在桩上标出桩号。

以桩心为圆心，连接M、N、M＇、N＇四点建立坐标，确认无误后，再开挖周围的土方，并用水泥砂浆进行加固，以确保桩身不发生位移。由于旋转钻机钻头的直径比钢丝绳直径大，增加了重新定位的困难，故采用全站仪对其进行定位，然后通过中心线的位置来判定钻头是否在正常轨道上。

2.2.2 护筒埋设

要求护筒内径大于桩径20cm，顶面高于工程水位2m，钻孔泥浆面高度在土层干裂时应高于施工场地0.2～0.3m。在护套安装完毕后，应重新测量桩位及护套高度。当桩头附近的土壤是疏松的素填土或淤泥时，护套必须穿越地表的素填土或淤泥。

2.2.3 泥浆护壁

在砂土、碎石土、黏土中钻孔时，应选用膨润土泥浆作为护壁材料。在黏土中钻孔，当其塑性值超过15时，可采用孔内的原土进行灌浆。在钻进中，当钻孔深度增加时，应及时、连续地对钻孔进行注浆，保持井筒内部的压力，以避免井壁崩塌。

2.2.4 钻孔

安装、调整钻架和起升机构，将钻头抬起，慢慢地放进防护设备中。当“十”字线到位时，其与“十”字线相交处的偏差不得超过20mm。在开孔时，应缓慢地钻进，速度为30～50cm/min；钻进达到4m 以上时，速度为60～90cm/min。在护套管周围土层松散、出现渗漏现象时，将钻头提起，用砂袋堵住渗漏处，加强护套，再将高黏性、高质量的泥浆注入井中，然后利用钻头反向将胶泥推入孔壁，堵塞漏浆孔洞，保证泥浆不外泄。在细砂层钻进时，钻速要慢，使孔壁与膨润土纤维水泥浆料充分结合。

2.2.5 钢筋笼制作与安装

在生产车间内，采用槽钢与钢板进行焊接，并利用胎具成型技术一次成型。加强箍筋设置于胎具的同一侧，并将主筋焊接于胎模的凹槽中，钢筋笼的主筋必须错开，且同一部位的节点数量不能大于50%，布置密度为竖直方向每间隔2m 布置1 条，在周围对称地布置4 条。将箍筋插入支架，根据预设的位置进行排列，箍筋与主筋紧密缠绕，然后用绑带将箍筋前后交叉捆绑。在钢筋笼下放时，安装声测管道并紧固。

2.2.6 导管安装

采用直径为300mm（T=14mm）的钢质管道进行灌注。要求管道连接紧密，不渗漏，在使用前应进行水密性试验，试验水压是钻孔水压的1.3 倍，而且不小于管道和焊接部位的最大内压。导管的上吊位置应在桩孔的正中央，且垂直于桩的轴线。在测量完井眼深度后，将套管下端的间隙控制在30～40cm 之间。在混凝土浇筑之前进行二次清孔，通过管道进行循环注浆、循环换浆，泥浆由护筒排出，再流入沉淀池，重复操作，直到钻孔中的钻进液达到标准规定为止。

2.2.7 混凝土灌注

应进行严格的试验以确定混凝土配合比，灌注时应保证其充分的流动性、较好的黏性、较小的泌水性，坍落度应在180～220mm 之间。在第一次浇筑时，应进行隔水处理，首先掺入0.2m3的水泥砂浆，然后放置在管道中隔水塞子的上端，在灌入砂浆时，应逐步向下移动。第一次浇筑混凝土的深度要超过1m，在水泥砂浆储备足够后，再利用管道将混凝土灌入孔内。在浇筑时，管道的埋入深度应控制在2～6m 之间，在每一次吊装之前，首先要测量管道内外表面的水层，并且在拆卸过程中一定要保证管道下端的深度不小于2m，以浇筑超高1m 左右为宜。在灌注过程中，如果发现管道内部混凝土不足，则应缓慢注入，避免出现高压气囊，从而影响成桩混凝土的紧实度[1]。

3 常见问题的预防及处理

3.1 塌孔

3.1.1 塌孔原因

塌孔即孔壁坍塌，其常见情状是孔内泥浆水位大幅度下降、孔口冒出大量气泡、钢渣出渣率明显提高、钻机负载显著增加等。塌孔是由多种因素引起的。

第一，泥浆比重或其他性能未达到指标，无法形成牢固的泥浆护壁。第二，出渣后没有及时补充泥浆，造成孔内泥浆不到位。第三，由于护筒埋设深度不足，导致下孔口漏浆、滑塌，以及孔口附近的土地浸没或直接与护筒接触，导致孔口垮塌，从而扩展成严重塌孔。第四，钻进速度过快，特别是在软砂地层中。第五，钻头钻进速度太快，导致空转时间太长。第六，过高的压差造成孔壁渗水，或者护筒下端出现反向穿孔。第七，钻孔过程中，出渣后不能及时注浆（或水），造成孔内水位下降；或泥浆相对密度和黏度过低，不能形成护壁。第八，吊装钢筋笼过程中与孔壁撞击严重。

3.1.2 塌孔的预防及处理

第一，在松散的砂土层和流砂中，要严格控制进尺速率，并选择相对密度大、黏度大、胶体率高的泥浆或优质泥浆。第二，在出现孔洞崩塌的情况下，可以立即拆掉护套，并将井眼注满，然后再钻入护套。第三，如果出现钻孔崩塌，则在判断崩塌部位后，用砂石混合料（砂石和黄土）回填在塌方上方1～2m 处，如果塌方较大，则全部回填，待填土压密后再进行钻孔。第四，在清孔过程中，及时进行灌浆（或注水），以确保井口必需的水位。第五，在钢筋笼吊装过程中，钢筋笼必须保持垂直，并吊放在钻孔中心，严防撞击孔壁。

3.2 钻孔偏斜

3.2.1 钻孔偏斜的主要原因

第一，在钻进过程中遇到大型的岩石或探头石。第二，在软硬层和斜坡交界部位，采用斜井钻进；或在颗粒尺寸差异较大的砂砾岩地层中进行钻孔，钻具的受力不均匀。第三，在扩孔量较大时，钻头的摇摆倾向于一侧。第四，钻具基座土层不平，可能造成钻具用力不均，从而导致不均匀沉降、位移。第五，钻杆变形弯曲，或连接不佳。

3.2.2 钻孔偏斜的预防及处理

第一，钻机安装过程中，转盘和底座必须保持水平，固定钻杆的钻眼、钻杆的中心、套管的中心、起重机的轮缘等必须垂直，并定时进行校正。第二，钻头在旋转过程中上端振动太大。钻架上应增加导轨，并通过调整提升钻头，使其在导轨辅助下对中钻入。第三，定时对钻杆进行检查和调整，在发生弯曲时，可利用千斤顶对其进行校正。

3.3 掉钻落物

3.3.1 造成掉钻落物的主要原因

第一，在卡钻时，由于用力过猛，或操作失误，导致钻杆或钢丝绳超载而发生疲劳断裂。第二，钻杆产生滑丝现象或连接不牢。第三，电机连接错误，导致钻机发生反转、钻杆出现松动。第四，转向环、转向套等焊接不牢发生断裂。第五，操作失误，导致扳手、撬棍等物品掉进孔内。

3.3.2 掉钻落物的预防及处理

第一，钻孔之前，要将孔洞中的杂物清理干净，如用电磁铁吸净零散的铁块。第二，定时检查钻具、钻杆、钢丝绳及连接设备。第三，在脱钻后，要对钻头的情况进行检查，如果钻头上有沉渣或塌孔的土石，则应及时将钻头清理干净[2]。

3.4 钻孔漏浆

3.4.1 钻孔漏浆的主要原因

第一，在砂砾或流砂等具有高渗透性的土层中，尤其是在有地下水的情况下，稀泥浆会从孔内漏出。第二，护筒埋设深度不足或回填土未夯实，都会导致漏浆。第三，护筒制造不合格，缝合不严，都会造成漏浆。第四，水柱压力较高或水头太高，也会造成孔壁渗浆。

3.4.2 钻孔漏浆的预防及处理

第一，对于旋转钻机，必须采用黏性更高的钻进液。对于冲击钻机，可在泥浆中加入黏性更强的泥浆，或用黏土掺片石或卵石进行反复撞击以加固护壁。第二，属于套管渗漏的，按照上述有关套管的埋入规定进行处理。如果接头出现不是很严重的漏水，可以用棉絮、棉布堵塞接头。若有严重的渗漏，必须将护套挖出，修补好后再埋入。

3.5 钢筋笼上浮

3.5.1 钢筋笼上浮的主要原因

第一，钢筋笼的起始高度过高、水泥砂浆流动性差、管道埋入过深、钢筋笼被混凝土托起等都会导致钢筋笼上浮。第二，在钢筋笼内浇筑混凝土时，若将管道提升，管道与钢筋笼的距离过于狭窄，则会在管道的冲击下导致钢筋笼上浮。第三，因为浇筑混凝土封底耗时过长，导致上部混凝土初凝，表面出现硬壳，混凝土与钢筋笼之间产生了一定的夹持力，如果此时管道底部不能及时抬起，那么混凝土就会从管道底部涌出，并以一定的速度向上抬起，从而带动钢筋笼上浮。第四，钢筋笼顶部不牢固，在灌注桩基础混凝土时，混凝土的冲力往往导致钢筋笼上浮。

3.5.2 钢筋笼上浮的预防及处理

第一，钢筋笼要准确定位，并与孔口紧密相连。可利用2 根2.5m 的10#槽钢在桩基础上进行固定，4根50mm 的钢管紧固在钢筋笼顶部的内箍筋上，待钢筋笼就位后，将4 根钢管与2 根槽钢焊接好。同时注意，浇筑施工一定要缓慢匀速地进行。第二，当混凝土顶面距钢筋笼底部1m 处时，灌注速率要减慢；当混凝土升高到距钢筋笼底部4m 以上时，将管道提起，使底孔比钢筋笼底部高2m，并恢复正常的灌注速率[3]。

3.6 断桩

3.6.1 断桩的主要原因

第一，由于管道底与孔底的高度过高，且第一批混凝土浇筑量不够，导致底板断裂。第二，由于管道底与孔底的高度过低，使第一批混凝土难以下落，并与泥浆混合，致使底板断裂。第三，管道的密封性能较差，在第一批混凝土灌注后，外部泥浆的压力过大，会渗透管道中，使混凝土和泥浆混合，从而导致堵头失效。第四，由于设备故障或混凝土物料供给中断，造成长时间的施工停顿，混凝土凝固，从而导致断裂。第五，注浆管脱空或脱落引起断裂。

3.6.2 断桩的预防及处理

第一，对每个管道的长度进行精确的测量，并进行编号，还可以将装配好的管道直接放入孔底，核对孔深和管长是否匹配。第二，必须按照孔径、管道直径准确地计算并严格核对第一批混凝土的灌注量。第三，灌浆装置必须添加后备装置，为可能出现的进料问题提前做好预案。第四，若第一次混凝土封底不成功，则应立即拔出导管，将钢筋笼抬起，清空混凝土，然后再次安装钢筋笼、灌注混凝土。第五，在灌浆时发生断裂，如果断桩离地面很远，则应在清除钢筋笼后再次开孔；如果断桩离地面较近，则可以采取接桩法；如果原有的钻孔不能使用，则必须回填后移位补桩。

3.7 灌注高度不足及其处理

第一，测量误差和桩顶预留量过小是导致灌浆高度不足的主要原因。第二，在灌浆高度不够时，可将桩头开挖并进行接桩。

3.8 特殊地质的处理方法

3.8.1 淤泥地质

以南沙港铁路工程为例，部分桩基础位于鱼塘或河流中，鱼塘位置通常较浅，可以采取清淤换填的方法，将淤泥置换为片石和黄土；河流位置通常采用填筑围堰的方法，若河流水位较高或对河流泄洪造成影响，则可以采取修筑栈桥后再进行填筑的方法，施工期间尽可能不影响河流正常过水，施工完毕后及时恢复河道畅通[4]。

3.8.2 岩溶地质

南沙港铁路工程桩基础施工过程中，经常会遇到岩溶地质。通常在桩基础施工之前，需要对每一个桩位进行地质钻探，如果发现岩溶孔洞，则进行注浆充填。在正式钻进之前，应准备好片石及黏土，便于钻进过程中遇到未探明孔洞时及时进行充填。若钻进过程中遇到岩溶孔洞，孔内泥浆会迅速下降，为防止泥浆下降后造成塌孔，需立即将钻头提起，并回填片石及黏土，直至泥浆不再下降。再次施工时，回填的片石和黏土会形成新的泥石护壁，反复多次直至穿过溶洞位置。

3.8.3 喀斯特地质

南沙港铁路工程桩基础施工过程中，偶尔会遇到喀斯特地质。冲击钻在钻进过程中，若遇到斜岩，会导致孔底两侧承载力不同，钻头冲击到孔底时会向承载力较低的一侧倾斜，反映到钻机处会使钢丝绳突然向一侧偏位，若不及时处理会导致桩身偏斜等情况。遇到斜岩后通常采用反复多次回填片石的方法，使得孔底两侧承载力趋近一致，直至穿过斜岩位置。